在科技類項目學習中培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)

摘? ?要：高中階段的項目學習可以分為三類：常態(tài)課堂微項目學習、學生實驗項目化學習和科技類專題項目學習。文章著眼于科技類專題項目學習的案例，以科技類專題項目學習為載體，從選題注重社會責任、設(shè)計指向高階思維、過程注重科學思維等方面，助力學生物理學科核心素養(yǎng)的生成。

關(guān)鍵詞：項目學習； 核心素養(yǎng)； 高風速發(fā)電機

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2023）3-0009-5

１? ? 項目學習及其分類

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》提出，為促進學生物理學科核心素養(yǎng)的發(fā)展，課程學習中要倡導基于項目的學習或整合學習等方法，促進學生基于真實情境下學科和跨學科問題解決能力的發(fā)展［１］。

筆者通過實踐，發(fā)現(xiàn)項目化教學具有不可替代的價值：傳統(tǒng)的教學模式固然能培養(yǎng)學生的思維能力，掌握知識和技能，卻較難培養(yǎng)其科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新和解決實際問題的能力。項目化教學不僅能培養(yǎng)這些能力，還能促進學生個性化發(fā)展，彌補傳統(tǒng)教學的不足［２］。

高中階段的項目學習大體可以分為三類：常態(tài)課堂微項目學習、學生實驗項目化學習和科技類專題項目學習。科技類專題項目學習周期較長，可利用教師學科特長和學校特色進行設(shè)計和安排，部分對科技創(chuàng)新興趣濃厚的學生參加。本文主要著眼于科技類專題項目學習的案例，以科技類專題項目學習為載體，從選題注重社會責任、設(shè)計指向高階思維、過程注重科學思維等方面，助力學生形成物理學科核心素養(yǎng)?？萍碱悓ｎ}項目活動模式流程一般是：確定主題、提出猜想、設(shè)計方案、獲取數(shù)據(jù)、推理分析、改進方案、合理解釋、得出結(jié)論。

２? ? “設(shè)計高風速發(fā)電機”項目學習

筆者和學生共同投入一年半之久，研究“設(shè)計高風速發(fā)電機”項目。下面以這個項目為例，說明在開展科技類專題項目學習的過程中培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的方法。

２．１? ? 項目選題注重社會責任

科學態(tài)度與社會責任是指在認識科學本質(zhì)的基礎(chǔ)上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度和社會責任感［３］。

選擇科技類項目課題時，要注重課題本身育人的意義。比如，確定“設(shè)計高風速發(fā)電機”這個項目源于學校一直堅持參加的省科技創(chuàng)新活動，也是全國青少年科技類某項賽事的賽題。為什么要設(shè)計高風速發(fā)電機？一是我國沙漠、草原、海域等地區(qū)的風力資源極為豐富，但是這些地區(qū)卻因風速過大等原因，風力發(fā)電機不能正常工作。二是柴油發(fā)電不僅運輸成本高，而且還污染環(huán)境，能源浪費相對嚴重，這的確是國家乃至人類的一大憾事。該項目涉及電路、電能、發(fā)電、變電、輸電等方面的物理知識，也涉及３Ｄ打印、地理氣候等知識，屬于基于生產(chǎn)生活應用的工程類跨學科綜合性問題，能讓學生認識科學本質(zhì)、體會社會責任。

２．２? ? 課題設(shè)計指向高階思維

高階思維的典型表現(xiàn)是能創(chuàng)造性地解決問題，并顯性體現(xiàn)解決問題的創(chuàng)新方法。在“設(shè)計高風速發(fā)電機”項目中，教師提出了如下問題以引發(fā)高階思維：國內(nèi)、國外現(xiàn)有的風力發(fā)電機在南極高風速下為什么不能正常運轉(zhuǎn)？如何設(shè)計能在高風速環(huán)境下有效利用風能的裝置？南極惡劣的天氣環(huán)境主要原因在于風速大的同時夾雜著高速運動的砂石、雪粒，如何減少或避免砂石、雪粒等與風力發(fā)電裝置的扇葉直接撞擊呢？

項目學習小組查閱資料后發(fā)現(xiàn)，原來風力發(fā)電裝置基本是由一根中軸加多片扇葉組成，當前國際上風力發(fā)電機最多能在不高于１０級的風速下正常工作，風速過大則發(fā)電機無法正常工作；當較大的砂石、雪粒吹打在扇葉的迎風面上時，會造成扇葉的損傷；雪粒高速擊打產(chǎn)生破碎的冰末粘附在扇葉上，堆積凍結(jié)后扇葉會發(fā)生形變且旋轉(zhuǎn)效率降低；如果扇葉受力不均，還可能導致扇葉無法正常轉(zhuǎn)動。以上情況會大大降低扇葉的發(fā)電效率以及壽命。

這是一項全新的任務(wù)，目的在于挑戰(zhàn)青少年的認知框架，能根據(jù)所學知識進行分析，創(chuàng)造性地設(shè)計出獨具特點的高風速發(fā)電機。設(shè)計關(guān)鍵：一是設(shè)計具有在惡劣環(huán)境下減少風力發(fā)電裝置損傷的結(jié)構(gòu)，二是設(shè)計增加風能利用率的部分。學生想到在風扇外面制造一個大空腔，利用大空腔使大風中的顆粒物沉降以保護風扇。但進一步考慮外面加空腔后，空腔內(nèi)空氣流速是否會有影響，從而影響發(fā)電機的發(fā)電功率呢？由此學生的高階思維活動就開始了。

２．３? ? 研究過程注重科學思維

項目的研究過程最能體現(xiàn)也最能培養(yǎng)科學思維。科技類項目過程要注重從物理學視角對事物的規(guī)律進行本質(zhì)分析，基于實驗事實建構(gòu)物理模型，充分進行分析綜合和推理論證，在創(chuàng)造性地解決問題的過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，從而提升其物理學科核心素養(yǎng)。

２．３．１? ? 初步實驗體現(xiàn)論證推理

前面失敗的想法讓學生認識到利用氣壓差來發(fā)電可能是一個很好的突破口。此時課題進入實質(zhì)性探究和分析綜合階段。這需要解決一系列的問題：怎樣設(shè)計實驗方案？空腔怎么得到？豎直管道用什么材料？初步實驗怎么進行？

學生嘗試先用塑料瓶進行實驗，將空腔中開一個豎直管道，分析是否能發(fā)電。他們認為，根據(jù)伯努利原理，空腔上部空氣流速大，內(nèi)部管道空氣流速小，從而產(chǎn)生了上下空氣的壓強差，空氣就會順著豎直管道上升。他們將兩個塑料瓶去掉底部之后粘接在一起，制成空腔的形狀；在第一步制成的空腔中部開一個小口，并粘上輕小紙片；固定好上述裝置，利用風扇制造出穩(wěn)定的風；觀察紙片的變化，如圖1所示。

從（１）—（６）式可以得到，ｖ１越大，θ也越大，兩者成正相關(guān)。實驗結(jié)果表明瓶子內(nèi)外的壓強差存在，利用流體速度的不同所產(chǎn)生的壓強差發(fā)電是有可能的。

通過綜合論證、公式推理，得到利用壓強差進行發(fā)電是有可能的。而氣流中所攜帶的固體顆粒物因為自身重力以及慣性作用無法隨上升氣流進入豎直管道，將隨著水平管道的氣流一起排出裝置或掉落裝置底部。這使減少及避免顆粒物與風力發(fā)電裝置的扇葉正面撞擊的問題有了解決辦法，從而使高風速中風能的利用有了可能。

２．３．２? ? 利用跨學科融合進行二次設(shè)計

有了初步設(shè)想，需要進行真實實驗研究，怎樣設(shè)計實驗裝置利用氣壓差進行發(fā)電？學生提出，為了提高發(fā)電的效率，應并排多設(shè)置幾個豎直風道?？紤]到理論上說多個風道在一定程度上能夠提高風能利用率，但在本質(zhì)上卻沒有作出重大改變，關(guān)鍵還是要加大空腔上下部空氣的壓強差從而實現(xiàn)發(fā)電。進一步考慮將底部的風洞合并在一起成為一個風洞，并且盡量將空腔做大。為了做出真實實驗，學生自學了３Ｄ打印技術(shù)，看著頭腦中的設(shè)想從紙面走到眼前。動手制作實物模型的過程是一個創(chuàng)新與完善的過程，學生自主學習３Ｄ打印這項跨學科技術(shù)以后，許多改進措施都可在電腦原有的三維模型基礎(chǔ)上直接修改，模型有準確的數(shù)據(jù)，能很好地把控模型的比例關(guān)系，也讓他們意識到技術(shù)的實用性。

２．３．３? ? 三次設(shè)計助推科學探究

第二次設(shè)計的３Ｄ打印模型安裝成小型風力發(fā)電機后，根本無法正常發(fā)電，實驗失敗。失敗的原因有兩種可能性：一是這種方式根本就不可能推動發(fā)電機的扇葉；二是裝置雖然能產(chǎn)生壓強差，但這個壓強差過小，風力發(fā)電機的扇葉轉(zhuǎn)不起來。學生決心不輕易否定設(shè)想，多做幾次實驗進行嘗試。比如，把空腔再做得大一點；根據(jù)流體力學的原理，嘗試設(shè)計成飛機外形一樣的流線型；考慮到風力發(fā)電靠的是自然風，而自然風的風速、風向會隨時變化，學生還設(shè)計了一個靈活又牢固的底座，腔體的形狀設(shè)計成水滴狀，一頭大一頭小，這樣腔體可以隨風向而改變朝向。發(fā)電裝置安裝在腔壁的四周，具體的部位通過實驗進行不斷嘗試和調(diào)整。

學生設(shè)計出如圖２所示的會隨風向而改變朝向的發(fā)電裝置。在腔體沿中軸線一周設(shè)置多個垂直通風管道，發(fā)電裝置能一直保持迎風的方向，進一步提高了發(fā)電的效率。學生第三次設(shè)計獲得了回報，３Ｄ打印的模型進行實驗時電表發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。在制作出第一臺風力發(fā)電機實體后（體積約為０．６ ｍ３），學生又做了兩處改動：一是在空腔的中后部添加了一個導風板，在其下部制作開口，使裝置在提高風能利用率的同時能使顆粒物正常排出；二是在裝置的尾部加裝尾翼，使裝置能始終準確地朝著迎風的方向。電表偏轉(zhuǎn)幅度越來越大，在進行各種嘗試后，實驗裝置也不斷改進。

２．４? ? 實驗過程真實細致

實驗裝置：風洞實驗室、垂直風壓發(fā)電裝置實體模型、風速儀、電壓表、電流表、導線、固定裝置等。

實驗步驟：

（１）安裝設(shè)備，將風力發(fā)電機牢牢固定在風洞環(huán)境中。

（２）將風速開到一級風，測量裝置前入風口、尾部出風口、周圍各個風扇出風口以及上部弧形結(jié)構(gòu)周圍的風速，同時記錄控制室內(nèi)所測得的電表讀數(shù)。

（３）將風速逐級調(diào)整，再次測量裝置前入風口、尾部出風口、周圍各個風扇出風口以及裝置上部弧形結(jié)構(gòu)周圍的風速，同時記錄電表讀數(shù)。

（４）將實驗測量的數(shù)據(jù)實時導入電腦，制作表格，繪制圖表（ｖ－ｔ圖像）。

（５）綜合數(shù)據(jù)，建立物理模型并驗證準確性。

（６）進行檢驗，得出結(jié)論。

２．５? ? 獲取數(shù)據(jù)科學分析

這個過程要利用裝置不同部位的風速并進行效率計算，研究發(fā)電機模型的實際發(fā)電效率。測得裝置上部的風速約為２．５ ｍ/ｓ，裝置豎直管道內(nèi)的風速約為２．０ ｍ/ｓ，裝置尾部出風口的風速約為１．２ ｍ/ｓ。

2.5.1? ? 關(guān)于垂直風壓發(fā)電裝置的功率及效率計算

2.5.2? ? 關(guān)于（１0）式中空氣能量損耗的計算

在計算空氣能量損耗時，有一個重要的無量綱數(shù)——雷諾數(shù)，雷諾數(shù)是流體慣性力與黏性力比值的量度，當雷諾數(shù)較?。ㄐ∮冢?３２０）時，黏性力對流場的影響大于慣性力，流場中流速的擾動會因黏性力而衰減，流體流動穩(wěn)定，為層流；反之，若雷諾數(shù)較大（大于４ ０００）時，慣性力對流場的影響大于黏性力，流體流動較不穩(wěn)定，流速的微小變化容易發(fā)展、增強，形成紊亂、不規(guī)則的紊流流場，為湍流。

雷諾數(shù)計算公式為Ｒｅ＝Ｄｖρ/μ（其中，開口管道直徑D＝０．３ ｍ，ｖ為風速，空氣密度ρ＝１．２９ ｋｇ/ｍ３，

２．６? ? 數(shù)據(jù)記錄可靠有效

表1為本實驗的數(shù)據(jù)記錄表，“未及測”是由于扇葉使用的是塑料扇葉，比較脆弱，其中一個風扇葉出現(xiàn)即將斷裂的現(xiàn)象，實驗被迫中斷。

２．７? ? 實驗結(jié)論

由數(shù)據(jù)得出，本裝置在大風環(huán)境中的風能利用率較高，實際情況若安裝多根管道，考慮額外損耗后，發(fā)電效率估計可在３０％到４０％之間。

３? ? 項目反思

本次項目學習的成果參加全國青少年科技創(chuàng)新大賽獲得全國一等獎，該項目研究對學生的成長影響很大。筆者是學生第一指導老師，同時還有多位其他指導老師，比如輔導他們３Ｄ技術(shù)的信息老師、制作發(fā)電機實體的通用技術(shù)老師、指導風能發(fā)電建模計算的浙江大學能源學院教授和指導風洞實驗的老師等。學生從課題興趣起始到一步步深入研究，在獲得全國青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎之后，他們繼續(xù)發(fā)現(xiàn)在裝置的入口需要做入口段效應的計算和測試，并且在入口段應該設(shè)計一個科學的引流裝置（如同一個喇叭口），讓風能更好地加以利用。雖然最后學生們感覺用他們一生的努力可能也無法窮盡對風力發(fā)電機的研究，但少年的興趣逐漸轉(zhuǎn)化為長久的人生志趣，如一個學生在高考填報高校志愿時最終選擇了自己喜愛的飛行器專業(yè)，繼續(xù)與風洞打交道。盡管該裝置在風洞實驗室測試時風速未達大風級別，但風洞實驗使我們的裝置離實際發(fā)電裝置更近一步，也讓學生體驗科學實驗的嚴謹性和真實性，理解什么是“學以致用”“學無止境”。

科技類項目學習追求在真實情境下的探索，教師帶著學生開展項目學習，這對于教師的知識邊界是巨大的挑戰(zhàn)，但也是教師不斷學習、不斷創(chuàng)新提升專業(yè)的好途徑。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］白小珍.項目化教學促物理學科核心素養(yǎng)生長［J］.中學物理，2022，40（13）：33-38.

［3］林定夷.科學的進步與科學目標：科學認識論與方法論之探究［M］.杭州：浙江人民出版社，1990：148.

［4］王賢，金祺然，白小珍，等.基于垂直變向的風力發(fā)電裝置［J］.中國科技教育，2019（6）：24-25.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：２０２２－11－22

作者簡介：白小珍（１９７４－），女，中學高級教師，主要研究方向為中學物理教學。